Bezdrátové technologie jdou s dobou a reagují na nástup 5G sítí zavedením podobných technologických fines. Kapacitám přípojek významně přispěje uvolnění gigabitového pásma 60 GHz a postupný upgrade bezdrátových sítí na nový standard Wi-Fi 802.11ax. Wi-Fi Alliance přejmenovala pro snadnou orientaci spotřebitele celé generace Wi-Fi standardů.
Technologie Wi-Fi je tu s námi v různých verzích už úctyhodných 22 let, přičemž aktuálně nastupuje její 6. generace. Má ještě co zlepšovat?
Původní verze protokolu 802.11 byla představena už v roce 1997. Od té doby se změnilo snad téměř vše – nejen technologicky, ale i způsobem užití. Wi-Fi se stala celosvětově synonymem pro bezdrátový ethernet, počty zařízení stoupají raketovým tempem, stejně jako přenášené datové toky. Dle údajů Wi-Fi Alliance bylo jen v roce 2018 dodáno na trh okolo 3 miliard nových zařízení.
Zatímco předcházející Wi-Fi standardy byly vždy zaměřeny zejména na zvyšování špičkové kapacity, u nové Wi-Fi 6 bylo zadání jiné – zlepšit spolehlivost a celkovou propustnost sítě v prostředí s velkým počtem zařízení. A to až čtyřnásobně oproti předchozí Wi-Fi 5 (802.11ac).
Druhým důležitým cílem pak byla adaptace na jiný nový trend – mobilní zařízení s nízkou spotřebou, nositelnou elektroniku, IoT a další zařízení, kde není klíčový výkon, ale zejména výdrž na baterie.
Co je tedy nového a jak se liší Wi-Fi 6 od svých starších verzí?
OFDMA – řízený přístup k radiovému mediu dorovnává výhody 5G sítí
Zásadní novinkou, která má za cíl zlepšit právě onu celkovou propustnost, je použití modulace ODFMA namísto klasické OFDM. Technika přístupu ke spektru založená na OFDM je používaná už dlouhou dobu – základem je velké množství úzkých kanálů (subnosných), které jsou vzájemně ortogonální. Na ty je modulován vlastní datový tok, dochází k jeho rozprostření přes celou šířku využívaného kanálu, proto též rozprostřené spektrum.
V případě OFDM jsou v jeden okamžik vždy všechny subnosné přiřazeny pro jednoho uživatele – bez ohledu na to, jaké má požadavky na datový tok. Tento přístup může skvěle fungovat v aplikacích, kde je proud dat konstantní a spektrum je tak efektivně využito.
Dnešní ethernetový provoz je ale plný malý rámců, rychlých komunikací, potvrzování, servisních informací a jiných krátkých paketů. Na řadu tak přichází právě OFDMA, jakási nadstavba OFDM, která umožňuje dynamicky seskupit jednotlivé subnosné do menších bloků (tzv. resource units) a ty přiřazovat jednotlivým uživatelům. V jednom 20MHz kanálu tak lze obsloužit paralelně až 9 různých uživatelů, v širších kanálech počet adekvátně narůstá. Princip fungování jasně zobrazuje následující srovnání.
Porovnání využití subnosných u OFDM (výše) a OFDMA (níže):
Zdroj: Coleman, David D., Westcott, David A., CWNA Certified Wireless Network Administrator Study Guide: Exam CWNA-107, 5th Edition, John Wiley & Sons Inc, 2018
Paralelní komunikace přináší nejen efektivnější využití spektra, ale také zmenšuje overhead (režii přenosu), který u malých paketů zabere poměrně velkou část kapacity. Zatímco při klasické sériové komunikaci dochází k potvrzování každého úspěšně přeneseného bloku zvlášť (včetně nutných ochranných intervalů na straně AP i klienta), při paralelním přenosu je vyžádáno potvrzení od všech klientů současně, a tím pádem dochází k úspoře času, kdy je spektrum obsazeno. Princip opět ilustruje následující obrázek.
Zatímco u OFDM následuje po každém datovém rámci mezirámcová mezera, potvrzení doručení bloku a prodleva před vysíláním pro dalšího klienta, u OFDMA je vysílání pro několik klientů provedeno paralelně a následně jsou tito klienti vyzváni pomocí nového typu rámce k paralelnímu zaslání svých potvrzení. Úspora času, a tedy i média je evidentní.
Srovnání časové úspory při paralelním vysílání u OFDMA:
Zdroj: Eldad Perahia Ph.D., High Efficiency Wi-Fi: 802.11ax, March 2017
Tím se postupně dostáváme k velké filozofické změně, kterou Wi-Fi 6 přináší. Od prosté technologie s náhodným přístupem, kde vysílal ten, kdo si zrovna „urval“ svůj kousek volného spektra, se posouváme více k centrálně řízené komunikaci ze strany přístupového bodu (AP).
Aby totiž paralelní komunikace fungovala, musí někdo klienty vzájemně koordinovat, přiřazovat jim jednotlivé sloty/resource units, řešit ekvalizaci úrovní atd. A to jak ve směru downlinku, tak ve směru uplinku. Řízení a plánování zdrojů je tedy nezbytnou podmínkou a nedílnou součástí Wi-Fi 6, přičemž o vše se autonomně stará AP, ze strany uživatele nebo klientských stanic není nutné cokoliv konfigurovat.
Praktický přínos OFDMA oproti OFDM dokládá následující dvojice grafů. Nárůst propustnosti pro malé rámce je v případě Wi-Fi 6 značný, podobně jako rychlost pro více než cca 40 uživatelů.
Porovnání propustnosti AP u standardů Wi-Fi 5 a Wi-Fi 6 pro velké množství připojených klientů (výše) a v závislosti na velikosti rámce (níže):
Zdroj: Aruba Networks. White Paper: 802.11ax, 2018
MU-MIMO pro zvýšení kapacity přípojek Wi-Fi 6 sítí
Druhým pilířem Wi-Fi 6 je zdokonalení a rozšíření MU-MIMO (Multi-User Multiple-Input Multiple-Output), tedy techniky, která už se sice vyskytla ve standardu 802.11ac, nicméně zatím nedošla širokému uplatnění.
Ačkoliv je název podobný klasickému MIMO, využití je poněkud rozdílné. Technologie MU-MIMO umožňuje za pomoci „prostorových streamů“ obsloužit paralelně několik klientů (skupin) díky tvarování energie (beamformingu) vysílaného signálu. Tedy namodelováním takového vyzařovacího diagramu (za pomoci sestavy několika antén), kde se v ideálním případě u klienta nachází nulový signál od „cizích“ streamů a maximální od vlastního. Tím je možné vysílat na jedné frekvenci několik nezávislých toků bez vzájemného rušení.
Autor: Ing. Jan Stejskal, Výbor nezávislého ICT průmyslu z.s.
Schématické znázornění beamformingu a využití prostorových streamů. STA3 využívá 2 streamy pro navýšení kapacity (MIMO 2×2).
V případě Wi-Fi 6 je podporováno MU-MIMO v konfiguraci až 8×8:8, tedy maximálně 8 nezávislých prostorových streamů. Případně libovolná kombinace několika streamů k jednomu uživateli (klasické MIMO à la 802.11n) a několika skupin prostorových streamů.
Zatímco v předešlé generaci 802.11ac byla implementována podpora MU-MIMO pouze pro downlink, v případě Wi-Fi 6 se počítá s podporou pro oba směry. Díky tomu se zlepší praktická použitelnost – paralelně bude moci probíhat komunikace v obou směrech, směr uplinku nebude „zdržovat“ a zahlcovat spektrum režijními přenosy, kterých je v MU-MIMO značné množství (stav média, stav klientů, přidělování slotů, …).
Prakticky je implementace MU-MIMO poměrně náročná, je nutná perfektní časová a frekvenční synchronizace, normalizace RX úrovní, efektivní využívání trigger framů pro plánování provozu (opět – mnohem vyšší řízení klientů ze strany AP) či určitá vzdálenost mezi AP a klienty i mezi klienty zároveň.
BSS Coloring
Technologie nazvaná BSS Coloring umožňuje hustší umístění AP pracujících na stejné frekvenci, kdy se rozlišuje „barva“ AP (ve skutečnosti bit v PHY/MAC hlavičce, až 63 „barev“). Díky BSS Coloringu je možno efektivněji využívat techniku CSMA/CA v hustých sítích, kdy stále někdo vysílá.
Pomocí barvy se rozlišují intra-BSS a inter-BSS rámce, tedy rámce „vlastního“ a „cizího“ AP. Při detekci vysílání jiné barvy na stejném kanále (tj. intra-BSS, rušení) umožňuje adaptivně nastavit hranici CCA (Clear Channel Assessment) pro tyto pakety, tzn. ignorovat je a začít vlastní vysílání. Díky tomu je možné přistupovat ke spektru i v okamžiku, kdy by bylo jinak vysílání zastaveno pro detekci kolize. Zároveň se ale minimalizuje riziko rušení, kdy signál z cizího AP je natolik malý, že nehrozí interference při vysílání.
Autor: Jakub Rejzek, Výbor nezávislého ICT průmyslu z.s.
Porovnání vzájemného vlivu AP na stejné frekvenci bez použití BSS (přerušovaná čára) a s BSS (plná čára). Vzdálenost AP, které se mohou rušit (stejná barva), je násobně větší.
Úspora energie pro přenosná zařízení
Pro zařízení s omezeným zdrojem energie a požadavkem na občasnou komunikaci byla implementována technologie Target Wake-up Time (TWT), která dále rozšiřuje úsporné mechanismy předchozích generací. Zatímco dříve AP vysílalo v pravidelném intervalu informaci pro spící klienty, jestli pro ně existují nějaká data v bufferu, nově si AP s klientem dokáže dohodnout přesný čas, kdy se klient probudí.
Pro zařízení s minimální komunikací se tím pádem značně prodlouží doba spánku, a tím i výdrž na baterie. Druhou změnou, která je zacílena na drobná Wi-Fi zařízení, je pak režim „20 MHz-only“, kdy jsou na minimum sníženy nároky na hardware – je podporován pouze 20MHz kanál, snižují se i ostatní požadavky.
Možnost použití velkého úseku spektra zvýší rychlosti přípojek Wi-Fi nad 100 Mb/s
Aktuální aukce 700 MHz pro 5G sítě bude dražit kanály s 2×10MHz šíří pásma, nové frekvence 3,7 GHz mají větší příděly po 40 MHz. Pro venkovní užití v pásmu 5 GHz je určených 255 MHz frekvenčního spektra, které míří k rozšíření o dalších 150 MHz v dnešním nepříliš využívaném úseku 5725–5875 MHz. Wi-Fi 6 umí využívat obrovskou kanálovou šíři až 160 MHz. Teoretické rychlosti spojení pro 8×8 MU-MIMO a 1024 QAM leží na hodnotě 10 Gb/s.
Další změny oproti starším standardům
K dalším změnám patří opětovné zahrnutí pásma 2,4 GHz i 5 GHz pod jeden standard (Wi-Fi 5 byla pouze pro pásmo 5 GHz), navýšení modulace až na 1024 QAM (MSC 10, 11) nebo změny v počtu subnosných, resp. počtu vzorků pro FTT (Fourierova transformace, převod signálu z časové oblasti na frekvenční a naopak).
Díky velikosti FFT rámce 256 vzorků namísto 64 vzorků dochází k prodloužení OFDM symbolu z 3,2 µs na 12,8 µs, což v kombinaci s volitelným ochranným intervalem (0,8, 1,6 nebo 3,2 µs) zvyšuje efektivitu přenosu a zároveň zvyšuje odolnost vůči vícecestnému šíření (mezirámcové interference).
Pro venkovní použití jsou poté přínosem i novinky v podobě Dual Carrier Modulation, kdy může být stejná informace na různých subnosných (ochrana proti selektivnímu úniku) nebo delší a robustnější hlavička rámce.
Shrnutí rozdílů
|
Standard |
802.11n |
802.11ac |
802.11ax |
|
Frekvence |
2,4 + 5 GHz |
5 GHz |
2,4 + 5 GHz |
|
Kanály |
40 MHz |
20, 40, 80, 80+80, 160 MHz |
20, 40, 80, 80+80, 160 MHz |
|
Modulace |
64 QAM |
256 QAM |
1024 QAM |
|
Kódování |
OFDM |
OFDM |
OFDMA |
|
Podpora MIMO |
(3×3) DL MIMO |
4×4 DL MIMO |
8×8 DL+UL MIMO |
|
Šířka subnosné |
312,5 kHz |
312,5 kHz |
78,125 kHz |
|
Teoretická max. přenosová kapacita jednoho streamu |
150 Mb/s (40 MHz, 1 SS) |
433 Mb/s (80 MHz, 1 SS) |
600,4 Mb/s (80 MHz, 1 SS) |
Co nás čeká do budoucna?
V současné době probíhá proces finalizace standardu 802.11ax, přičemž definitivně schválen by měl být v prvním čtvrtletí roku 2020. Vzhledem k faktu, že se dají očekávat pouze drobné změny, už dnes nalezneme na trhu několik zařízení, která Wi-Fi 6 podporují – jsou založeny na aktuálním draftu normy a je předpoklad, že budou fungovat i s finální specifikací.
Díky zpětné kompatibilitě s 801.11a/g/n/ac není potřeba se obávat nutnosti investic do nových zařízení jak v prostředí domácností, tak v případě poskytovatelů připojení. Přesto jsou pro některé aplikace výhody natolik přesvědčivé, že se masivnějšího nasazení (zejména co se AP týká) můžeme dočkat poměrně brzy. Ze strany výrobců chipsetů už podpora existuje – Broadcom, Qualcomm, Intel už chipsety založené na draftu představili.
Kombinací Wi-Fi 6 a 60GHz zařízení pro offload zátěže sítě pro uvolnění 5GHz pásma budou přípojky 100 Mb/s a vyšší pro Wi-Fi technologie naprosto běžné. Abychom byli schopní transportovat takové masivní objemy dat, je třeba podpořit co nejrychlejší výstavbu husté optické sítě, která by tvořila přípojnou komunikační dálnici i do těch nejmenších obcí.
Bezdrátové technologie a jejich provoz v rozsáhlých sítích je jedno z klíčových témat konference ISP Futuretec, která se uskuteční 13. 6. v Milovech u Nového Města na Moravě. Pokud se chcete dozvědět více o mikrovlnných technologiích, nenechte si konferenci ujít.
Zdroj: https://www.lupa.cz/clanky/wi-fi-6-prichazi-co-je-pod-poklickou-noveho-standardu/